Η καλύτερη απόδειξη για τη σκοτεινή ύλη και την αβεβαιότητα εκεί
Αν σας έλεγα ότι ήμουν 99,81 τοις εκατό σίγουρος ότι είχα κάνει μια μεγάλη ανακάλυψη, θα μπορούσατε να προτείνετε ότι ήρθε η ώρα να ξεσπάσετε τη σαμπάνια. Αν έλεγα ότι η ανακάλυψη έλυσε ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα στην επιστήμη και πιθανότατα θα με άφηνε να κλείσω ένα εισιτήριο για τη Στοκχόλμη για να πάρω ένα βραβείο Νόμπελ, θα μπορούσατε να προτείνετε να παραγγείλω μια θήκη με την καλύτερη σαμπάνια που θα μπορούσα να βρω και να αρχίσω να σχεδιάζω ομιλία αποδοχής. Μετά από όλα, 99,81 τοις εκατό βεβαιότητα είναι αρκετά καλό? είναι πολύ πάνω από το 95 τοις εκατό, ο πήχης που χρησιμοποιείται για τη «στατιστική σημασία» στα περισσότερα πεδία έρευνας.
Αλλά οι περισσότεροι φυσικοί θα μου έλεγαν να κρατηθώ στο αφρό μέχρι να απαλλαγώ από λίγο περισσότερο από αυτή την εναπομείνασα αβεβαιότητα 0,19%. Πόσο περισσότερο? Λοιπόν, η απλή απάντηση θα ήταν, «σχεδόν όλα».
Η σκοτεινή ύλη είναι μια αινιγματική ουσία που αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του σύμπαντος και έχει διαμορφώσει ολόκληρη την ιστορία του - κυριολεκτικά δεν θα ήμασταν εδώ χωρίς αυτήν. Ωστόσο, χρόνια αναζήτησης για σωματίδια σκοτεινής ύλης δεν μας άφησαν καμία ιδέα για το πώς μοιάζει το υλικό, προς μεγάλη απογοήτευση πολλών φυσικών. Η ανακάλυψή του και η γνώση των ιδιοτήτων του, θα μπορούσε να συμπληρώσει πολλές λεπτομέρειες σχετικά με το πώς το σύμπαν έφτασε στην παρούσα κατάστασή του.
Έτσι, μπορεί να νομίζετε ότι οι επιστήμονες θα ενθουσιάζονταν πολύ με την πρόσφατη ανακοίνωση σχετικά με μια πιθανή παρατήρηση σκοτεινής ύλης ότι οι επιστήμονες ήταν 99,81 τοις εκατό βέβαιοι ότι δεν προέκυψε τυχαία. Δυστυχώς για τους ανθρώπους που έκαναν την παρατήρηση, ο ισχυρισμός ανακάλυψης στη φυσική, και ειδικότερα με τη σκοτεινή ύλη, αποδεικνύεται πολύ περίπλοκο πράγμα.
Συναιρετικές συμβουλές
Η σκοτεινή ύλη πήρε το όνομά της όχι επειδή είναι μαύρη, αλλά επειδή δεν μπορούμε να τη δούμε. Το παζλ προέκυψε όταν οι αστρονόμοι υπολόγισαν ότι δεν υπήρχε αρκετή ύλη για να παραχθεί η βαρυτική δύναμη που είναι απαραίτητη για να συνεχίσουν οι γαλαξίες να περιστρέφονται και να τους σύρουν μαζί σε γιγάντια σμήνη όπως κάνουν. Υπέθεσαν ότι πρέπει να υπάρχει κάποια ύλη που δεν βλέπουμε να παράγει την επιπλέον έλξη της βαρύτητας. Δεδομένου ότι δεν είναι ορατό, γνωρίζουμε ότι δεν αλληλεπιδρά με το φως ή άλλες μορφές ακτινοβολίας. Και, στην πραγματικότητα, δεν μπορεί να αλληλεπιδράσει πολύ με την κανονική ύλη, αλλιώς θα το είχαμε δει να χτυπά στους ανιχνευτές μας μέχρι τώρα. Όμως δημιουργεί βαρύτητα και η βαρυτική του έλξη επηρεάζει την εξέλιξη του Σύμπαντος από λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Δεδομένου ότι τα πράγματα ήταν πολύ ζεστά για να υπάρχουν τα άτομα τότε, οι επιστήμονες αποφάσισαν ότι η σκοτεινή ύλη πρέπει να είναι ένα σωματίδιο και της έδωσαν το παρατσούκλι:WIMP, για ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια.
Εάν τα WIMP δεν αλληλεπιδρούν με το φως ή άλλα σωματίδια, πώς θα μπορούσατε να εντοπίσετε ένα; Σύμφωνα με ορισμένα μοντέλα συμπεριφοράς της σκοτεινής ύλης, η όλη ιδέα «δεν αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη» είναι μόνο μια προσέγγιση. Πολύ, πολύ σπάνια, ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να έχει μια πολύ, πολύ ασθενή αλληλεπίδραση με την κανονική ύλη. Αντί να χτυπά σε έναν ανιχνευτή, ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης μπορεί μερικές φορές να δώσει σε ένα από τα άτομά του μια απαλή ώθηση. Ορισμένες ομάδες έχουν κατασκευάσει εξειδικευμένους ανιχνευτές που είναι ευαίσθητοι σε αυτές τις ωθήσεις πολύ χαμηλής ενέργειας.
Μία από αυτές τις ομάδες είναι η Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS). Κόλλησαν έναν αριθμό εξαιρετικά ευαίσθητων ανιχνευτών βαθιά σε ένα ορυχείο για να τους απομακρύνουν από όλη την ενέργεια που θα τους βομβάρδιζε στην επιφάνεια της Γης. Το υλικό ψύχθηκε σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, έτσι ώστε οι δονήσεις των ατόμων στους ίδιους τους ανιχνευτές να μην δημιουργούν ψευδή σήματα. Η ομάδα έμαθε να αναγνωρίζει τα αδέσποτα ηλεκτρόνια και νετρόνια που φιλτράρονταν από τη ραδιενεργή διάσπαση των ατόμων στα τοιχώματα του ορυχείου. Μετά περίμεναν αρκετά χρόνια.
Εκείνο το διάστημα, εντόπισαν μόλις τρία συμβάντα [pdf] που έμοιαζαν με τις επιπτώσεις των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης. Αλλά οι υπολογισμοί τους είπαν ότι δεν έπρεπε να έχουν δει καθόλου και ότι υπήρχε μόνο 0,19 τοις εκατό πιθανότητα τα τρία συμβάντα να προέρχονται από τυχαίο θόρυβο στον εξοπλισμό τους. (Οι ερευνητές ανέφεραν 5 τοις εκατό πιθανότητα να δουν τρεις κρούσεις και 0,19 τοις εκατό τυχαία πιθανότητα να δουν τρεις κρούσεις συγκεντρωμένες, όπως και έκαναν.) Αρκετά συναρπαστικό, σωστά;
Επιδίωξη βεβαιότητας
Δυστυχώς, οι φυσικοί έχουν κάνει λάθος σχετικά με τις βεβαιότητες 99 τοις εκατό στο παρελθόν - απλώς εξαφανίστηκαν όταν εισήχθησαν περισσότερα δεδομένα. Αυτές οι βεβαιότητες μπορούν να εκφραστούν με όρους ενός στατιστικού μέτρου που ονομάζεται τυπική απόκλιση, που συντομεύεται ως σ ή σίγμα. Σύμφωνα με τις συμβάσεις της σωματιδιακής φυσικής, για να ανακοινωθεί μια ανακάλυψη, ένα εύρημα πρέπει να είναι πέντε σίγμα:Υπάρχει μόνο ένα 0,0001 τοις εκατό των παρόμοιων αποτελεσμάτων εάν δεν υπήρχε πραγματικό σήμα για ανίχνευση, και οι ερευνητές κοιτούσαν απλώς μια συλλογή τυχαίου θορύβου .
Η βεβαιότητα 99,8% του SuperCDMS είναι μόνο τρία σίγμα.
Και, πολύ σημαντικό, αυτή η αξία προϋποθέτει ότι η ομάδα έκανε τα πάντα σωστά. Αυτό δεν είναι ποτέ εγγυημένο, όπως αποδεικνύεται από την πρόσφατη περίπτωση όπου μια χαλαρή σύνδεση καλωδίου έκανε να φαίνεται ότι ορισμένα σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα κινούνται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. Αυτού του είδους τα λάθη υλικού συνδυάζονται με την πιθανότητα παραπλάνησης σε θεωρητικούς λόγους. Για να λάβουν τα αποτελέσματά τους, οι συγγραφείς έπρεπε να φτιάξουν μοντέλα για το πώς θα έμοιαζε κάθε τύπος δυνητικού θορύβου - τυχαίες ραδιενεργές διασπάσεις, αδέσποτα ηλεκτρόνια κ.λπ. - στον ανιχνευτή τους και πόσο συχνά θα τους έβλεπαν.
Αν και η ομάδα πίσω από το SuperCDMS είναι γεμάτη με πολύ έξυπνους ανθρώπους, αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει έναν αριθμό υποθέσεων και προσεγγίσεων - υπάρχει πάντα η πιθανότητα να μην σκέφτηκαν τον έναν ή τον άλλο περίπλοκο παράγοντα. Μέχρι να γίνει ισχυρότερο το σήμα, αυτές οι υποθέσεις δεν θα θεωρούνται καν αρκετά σημαντικές ώστε η υπόλοιπη κοινότητα της φυσικής να εξετάσει προσεκτικά τα δεδομένα και να δει εάν είναι ακριβή και σημαντικά.
Διασταυρούμενα σήματα
Το αποτέλεσμα του SuperCDMS είναι σε καλή κατάσταση από μία άποψη. Ακριβώς απέναντι από τον άξονα του ορυχείου υπάρχει ένας ξεχωριστός ανιχνευτής σκοτεινής ύλης που ονομάζεται CoGeNT και ανέφερε ότι βλέπει ένα σήμα που φτάνει τα 2,8 σίγμα. Κρίσιμα, οι δύο ανιχνευτές συμφωνούν κατά προσέγγιση για τη μάζα του σωματιδίου. Εκφρασμένο ως το ισοδύναμό του σε ενέργεια (όπως τόνισε ο Αϊνστάιν, η ενέργεια και η μάζα ενός σωματιδίου συνδέονται άμεσα), το CoGeNT βλέπει ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης με μάζα 7 γιγαηλεκτρονβολτ. Το σωματίδιο SuperCDMS φαίνεται να ζυγίζει περίπου 8,6 GeV. Αυτό δεν είναι πανομοιότυπο, αλλά είναι αρκετά κοντά που οι δύο ανιχνευτές θα μπορούσαν να βλέπουν το ίδιο πράγμα.
Μια παρόμοια μάζα έχει προταθεί από έναν ανιχνευτή με έδρα την Ιταλία που ονομάζεται DAMA/LIBRA. Χρησιμοποιώντας μια εντελώς διαφορετική τεχνολογία, βλέπει μια εποχιακή διακύμανση στις ανιχνεύσεις σωματιδίων που μπορεί να αντικατοπτρίζουν την τροχιά της Γης που την ωθεί ενάντια σε μια ροή σκοτεινής ύλης κάθε άνοιξη.
Αυτά είναι τα καλά νέα. Τα κακά νέα είναι ότι ένας διαφορετικός ανιχνευτής, που ονομάζεται Xenon-100, φαίνεται να το αποκλείει εντελώς. Και εκεί είναι που τα πράγματα μπερδεύονται. Η ομάδα του CoGeNT δεν πιστεύει ότι το Xenon-100 έχει πραγματικά αποκλείσει πλήρως τα πράγματα. Η ομάδα Xenon-100 δεν πιστεύει τα αποτελέσματα του CoGeNT. Οι ερευνητές του CDMS έμειναν σε μεγάλο βαθμό έξω από τις συζητήσεις. Και κανείς δεν φαίνεται να εμπιστεύεται τα αποτελέσματα του DAMA/LIBRA, εν μέρει επειδή η ομάδα πίσω από τον ανιχνευτή ήταν αμήχανη σχετικά με τις πειραματικές λεπτομέρειες.
Υπάρχουν επίσης κάποια πειράματα στο διάστημα που έχουν σχετικά δεδομένα, αλλά δεν κάνουν τα πράγματα πιο ξεκάθαρα. Θεωρείται ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης μπορεί μερικές φορές να συγκρουστούν με τον εαυτό τους, αφήνοντας ενεργητική αντιύλη στα συντρίμμια. Ένας δορυφορικός ανιχνευτής που ονομάζεται PAMELA αρχικά φαινόταν να παράγει στοιχεία αυτής της αντιύλης, αλλά, μετά τη συλλογή περισσότερων δεδομένων, το σήμα εξαφανίστηκε (και σε κάθε περίπτωση, το σωματίδιο ήταν πολύ βαρύτερο από 8GeV). Το ίδιο συνέβη και με το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi, το οποίο είδε τα στοιχεία ενός σωματιδίου 130GeV να σβήνουν στο παρασκήνιο όταν εισήλθαν περισσότερα δεδομένα. σήμα ύλης σε αυτό.
Εάν όλα αυτά τα φαινομενικά αντιφατικά αποτελέσματα σας μπερδεύουν λίγο, μην ανησυχείτε - πιθανότατα μπερδεύουν και πολλούς φυσικούς. Τελικά, οποιοδήποτε εύρημα σκοτεινής ύλης θα πρέπει να έχει κάποιο νόημα από τα περισσότερα από αυτά. Κάθε πείραμα πρέπει να αντιμετωπίσει όχι μόνο τη δική του αβεβαιότητα, αλλά και τις αβεβαιότητες του πεδίου στο σύνολό του.
Τα στοιχεία έρχονται αντιμέτωπα με τη θεωρία
Επειδή η σκοτεινή ύλη επηρεάζει την εξέλιξη του σύμπαντος, το ίδιο το σύμπαν μπορεί επίσης να μας πει εάν τα πειράματά μας είναι στο σωστό δρόμο. Ένα σωματίδιο με μάζα στην περιοχή αυτού που βλέπει το CoGeNT και το SuperCDMS (περίπου 8GeV) θεωρείται «ελαφρύ» σωματίδιο, καθώς είναι περίπου 10 φορές μικρότερο από τη μάζα σωματιδίων όπως το W, το Z και το Higgs. Και οι επιστήμονες έχουν επίσης πολλούς λόγους να αντιπαθούν ένα ελαφρύ σωματίδιο σκοτεινής ύλης.
Μερικά από αυτά είναι απλά πρακτικά. ένα σωματίδιο φωτός θα παράγει ένα μικρότερο σήμα στους ανιχνευτές, καθιστώντας ευκολότερο τη σύγχυση με τον θόρυβο του περιβάλλοντος. Άλλα όμως είναι καθαρά θεωρητικά. Για παράδειγμα, ο κύριος υποψήφιος για να εξηγήσει οποιαδήποτε σωματίδια πέρα από αυτά που γνωρίζουμε ονομάζεται υπερσυμμετρία. Τα περισσότερα από τα υπερσυμμετρικά σωματίδια είναι ασταθή, αλλά τα ελαφρύτερα (ένας ξάδερφος του νετρίνου που ονομάζεται «ουδετέρο») θα πρέπει να είναι σταθερά και θα αποτελούσε ένα εξαιρετικό σωματίδιο σκοτεινής ύλης. Όμως το neutralino αναμένεται να είναι σχετικά βαρύ. Φυσικά, είναι επίσης θεωρητικό. ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων περιορίζει γρήγορα τον χώρο όπου θα μπορούσαμε να ελπίζουμε να βρούμε ένα ουδέτερο, χωρίς να υπάρχει ακόμη ένδειξη σήματος.
Το ίδιο το σύμπαν μπορεί επίσης να μας λέει να σκεφτόμαστε βαριά. Παρόλο που η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά μόνο μέσω της βαρύτητας, αυτές οι αλληλεπιδράσεις ήταν αρκετές για να δημιουργήσουν τις δομές του Σύμπαντος. Για να λειτουργήσει αυτό, η σκοτεινή ύλη πρέπει να κινείται αρκετά αργά για να την πιάσει η βαρύτητα - με όρους φυσικής, πρέπει να είναι «ψυχρή». Αλλά τα WIMP σταμάτησαν να αλληλεπιδρούν με οτιδήποτε πολύ λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν το Σύμπαν ήταν πολύ ζεστό, και έκτοτε δεν είχαν τρόπο να χάσουν αυτή τη θερμότητα. Αυτή η φαινομενική αντίφαση είναι πιο εύκολο να επιλυθεί εάν το σωματίδιο είναι τεράστιο. Ακόμα κι αν μεταφέρει πολλή ενέργεια, η μάζα του σωματιδίου σημαίνει ότι θα εξακολουθεί να κινείται αρκετά αργά ώστε η βαρύτητα να το πιάσει.
Πώς επιλύετε πραγματικά αυτό το είδος σύγχυσης; Η παραδοσιακή διαδρομή προς την ανακάλυψη σωματιδίων, μέσω επιταχυντών όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων, παρέχει ένα καλό παράδειγμα. Όλοι οι μεγάλοι επιταχυντές που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση σωματιδίων ενσωματώνουν δύο ανιχνευτές, κατασκευασμένους με χρήση διαφορετικών τεχνολογιών, έτσι ώστε να ελέγχονται τυχόν ατυχήματα που σχετίζονται με το υλικό. Μέχρι οι φυσικοί να δουν ένα σημαντικό σήμα χρησιμοποιώντας και τα δύο, τείνουν να θεωρούν ότι τα πράγματα δεν έχουν διευθετηθεί. (Το μποζόνιο Higgs, για παράδειγμα, ανακαλύφθηκε από δύο διαφορετικούς ανιχνευτές στο LHC.) Αυτή η στάση είναι πιθανό να μεταφερθεί στη σκοτεινή ύλη, με πολλούς να περιμένουν σημάδια ανακάλυψης σε δύο ανεξάρτητους ανιχνευτές πριν βεβαιωθούν ότι το έχουμε λύσει .Αν συμβεί αυτό, η υπόλοιπη φυσική θα προσαρμοστεί. Οι ομάδες που νόμιζαν ότι είχαν αποκλείσει την ύπαρξη του σωματιδίου θα επιστρέψουν και θα προσπαθήσουν να καταλάβουν τι έκαναν λάθος. Τα αστρονομικά αποτελέσματα θα αναλυθούν εκ νέου για να καταλάβουμε γιατί δεν υπήρχαν εμφανή σήματα. Και οι θεωρητικοί θα καταλάβουν ποιο από τα πολλά μοντέλα τους μπορεί να προσαρμοστεί για να κατανοήσουν τα νέα αποτελέσματα, εγκαταλείποντας την υπερσυμμετρία εάν αποδειχθεί ότι είναι ένα μπούστο. Οι κοσμολόγοι θα έβρισκαν έναν τρόπο να κάνουν ένα ελαφρύτερο WIMP να λειτουργεί εάν το χρειαζόταν.
Όμως, μέχρι να υπάρξουν καλύτερα στοιχεία -ένα σήμα πολύ ισχυρότερο από τρία σίγμα, επιβεβαίωση από τουλάχιστον ένα άλλο πείραμα και μερικές εξηγήσεις για τα αντιφατικά στοιχεία από άλλα πειράματα- φαίνεται πολύ νωρίς για να συμπεράνουμε ότι αυτό το μυστήριο της σκοτεινής ύλης έχει λυθεί.
Ο John Timmer είναι ο Science Editor στο Ars Technica. Διδάσκει επίσης σε επιστήμονες πώς να επικοινωνούν με το κοινό και μεταξύ τους στο Cornell Medical College, στο Πανεπιστήμιο Stony Brook και σε άλλα ιδρύματα.
